Szintetikus biológia: Lakóhelyiségek

Tárgyak

A szintetikus biológia valóban fenntartható megközelítéseket kínálhat az épített környezethez - jósolják Rachel Armstrong és Neil Spiller.

Az építészek sokáig ihletet merítettek a természetes rendszerek formáiban és funkcióiban. A biológiai sejteknek és organizmusoknak mégis vannak olyan követelmények - mint például a táplálkozás és a növekedést támogató struktúrák -, amelyek korlátozzák felhasználásukat az építkezés során. A szintetikus biológia új módszereket kínál az élő rendszerek előnyeinek és a hagyományos anyagok robusztusságának egyesítésére, hogy valóban fenntartható és környezetre reagáló architektúrát hozzon létre.

A klímaváltozás és az urbanizáció összefüggésében sürgető szükség van arra, hogy az élőhelyünkre káros építési módszereket fenntartható módszerekkel cseréljék ki. Az építészet felelős jelenleg a városi szén-dioxid-kibocsátás 40% -áért, főleg az anyaggyártás és az épületépítés különböző szakaszaiban elégetett fosszilis tüzelőanyagok kibocsátása miatt. A globális népesség növekedésével - 2050-ben megközelítve 9 milliárd embert, akiknek 70% -a városokban fog élni - az épített környezet szén-dioxid-kibocsátása növekszik. Ha továbbra is acélból és betonból építkezünk, akkor a legszigorúbb energiatakarékossági intézkedések sem korlátozzák az üvegházhatást okozó gázok termelését. Még a zöld tetőknek és a falaknak is energiaigényes támogató rendszerekre van szükségük ahhoz, hogy mesterséges körülmények között tartsák fenn őket.

Stratégiákra lesz szükség a széndioxid-negatív épületek megvalósításához, ideértve az innovatív utólagos felszerelést, az energia kitermelését, az anyagok újrafeldolgozását és a környezettel kölcsönhatásba lépő és a környezetre közvetlenül reagáló elemek használatát. A kémiailag aktív interfészek megváltoztathatják a felületek körüli mikroklímákat, és „környezeti gyógyszerként” működhetnek. Például a bevonatok képesek felszívni az épület felszínén a szén-dioxidot, felszívni a szennyező anyagokat vagy elektrosztatikusan befogni a porszemcséket.

Biológiai építőelemek

A szintetikus biológia eszközei olyan új építészeti formák kifejlesztését ösztönzik, amelyek reagálnak a környezeti változásokra az élő rendszerek dinamikus tulajdonságainak beépítésével, mint például a növekedés, a javítás, az érzékenység és a replikáció. Még mindig korai szakaszban sokféle interdiszciplináris együttműködés folyik, hogy új felhasználási lehetőségeket találjanak a felülről lefelé irányuló genomtervezés és az alulról felfelé építkező kémiai önszerelési technikák számára, ideértve a szén-dioxid csapdázását és az energiahatékony anyagok előállítását. A leküzdendő kihívások közé tartozik a biológiai rendszerek fenntartása és támogatása az épített környezetben, a bioetikai szempontok és a közbiztonság biztosítása.

A kutatók ígéretes példákat dolgoznak ki az építészeti funkciókat ellátó biológiai rendszerekről. A környezetben gyakran előforduló baktériumok - mint pl Micrococcus, Staphylococcus, Bacilus és Pseudomonas fajok, amelyek szintén a levegőben tartózkodnak - adaptálhatók bioszenzorként történő felhasználásra. Az Eugene-i Oregoni Egyetem egy új központja tervezi az építészetet és a meglévő és tervezett mikroorganizmusokat összekapcsoló kutatások összehangolását. Az egyetem Biológiai és Épített Környezetvédelmi (BioBE) Központja, amelyet nyáron finanszírozott a New York-i Alfred P. Sloan Alapítvány, megvizsgálja az „épített környezet mikrobiomját” - az épületekben előforduló komplex baktérium-ökoszisztémákat és azok kölcsönhatását az emberek és a környezet. Az ilyen kapcsolatok fontosak például a beltéri levegő minőségének fenntartása szempontjából.

Egy másik levegőben terjedő baktérium fajai, Brevundimonas, ígéretet mutatnak a beltéri szennyező anyagok indikátoraként: egyesek metabolizálhatják a méreganyagokat, például az arzént, és genetikailag módosíthatók a szín megváltoztatására számos nehézfém jelenlétében. Más típusú baktériumokat dekoratív módon lehet termeszteni a falakon vagy a tetőkön, hogy jelezzék a káros szennyező anyagok szintjét a városokban. Például az angliai Cambridge-i Egyetem hallgatói tervezték a baktériumot Escherichia coli az árnyalat megváltoztatása induktor jelenlétében, amely rendszer alkalmazható a nehézfémek kimutatására. Ez csak egy volt a sok úttörő pályázat közül a 2009-es nemzetközi géntechnológiával módosított gép (iGEM) szintetikus-biológiai versenyen a cambridge-i Massachusetts Institute of Technology-ban.

A biolumineszcens baktériumokat használó világítás innovatív formáit Simon Park mikrobiológus vizsgálja a brit Guildford-i Surrey Egyetemen. 2009-ben Anne Brodie művésznővel bemutatott egy fényképészfülkét, amely portrékat készít a Photobacterium phosphoreum. Izzó karácsonyfa, amelyet 2007-ben készített Edward Quinto biológus, a manilai Santo Tomas Egyetem biolumineszcens felhasználásával Vibrio fischeri baktériumok a tintahal béljéből, felveti a fényes fák utcai megvilágításra való felhasználásának lehetőségét.

A biológiai struktúrák teljesen új építési módszereket és anyagokat inspirálhatnak. A Terreform One, egy New York-i interdiszciplináris építészeti tervgyakorlat egy „Meat House” névre keresztelt bőrfelület növekedését tervezte az épületek burkolására. A sertéssejtek transzformálásával és a szerkezeti keret kialakításához nagy léptékű háromdimenziós nyomtatási technikákkal a bőrt a kívánt formára és méretre növesztik, majd tartósítószerekkel rögzítik. Biológiailag lebomló jellege elkerülné a későbbi lebontás szükségességét. A technika megfizethetetlenül drága - körülbelül 1000 USD a bőr négyzetcentiméteréért -, de bemutatja a szintetikus-biológiai technikák által kínált alternatív megközelítéseket.

A szintetikus biológia építészetben történő alkalmazásának legnagyobb kihívása az, hogy pontos állványokat állítsanak elő a mesterséges szövetek és anyagok előállításához. A természetes formákat nehéz számítógépekkel modellezni, mert nem követik az egyszerű matematikai függvényeket, ezért nehéz a sejtről az építészeti léptékre lefordítani őket. A Tromsø közelében található norvég Uformia cég olyan szoftvert fejleszt, amely lehetővé teszi a szabálytalan szerves formák - például a porózus csontréteget utánzó anyagok, amelyek ötvözik a nagy szakítószilárdságot és az alacsony sűrűséget - digitális módon történő nyomtatását három dimenzióban.

A biológiai kultúrák laboratóriumból való kivitele a városba más gyakorlati nehézségeket vet fel. Értékes baktériumpopulációkat, például azokat, amelyek vizes élőhelyeken rögzítik a szén-dioxidot, nehéz lenne fenntartani száraz, városi helyeken, ahol nincsenek táplálékforrások. Ragadozó organizmusoknak, például penésznek kitéve, a biológiai anyagokat gombaellenes szubsztrátokkal kell védeni. A biztonsági aggályok pedig kizárják az új géntechnológiával módosított szervezetek szigorú ellenőrzés nélküli környezetbe juttatását. Építészeti célokra az egyszerű és biztonságos biotechnológiát részesítik előnyben. A genetikai módosítás alternatív megközelítése az önállóan összeálló anyagok előállítása, amelyek nem élnek, de utánozzák az organizmusok dinamikus tulajdonságait, és optimalizáltak arra, hogy sajátos környezetükben működjenek.

A részben élő anyagok építészeti tervezési potenciálját Andy Adamatzky Unconventional Computing csoportja vizsgálja a nyugat-angliai egyetemen, az Egyesült Királyságban, Bristolban. Csapatával azt vizsgálja, hogy az egyszerű organizmusok és robotok hibridjei - például a Phi-Bot, amelynek elektronikáját egy nyálkás penész irányítja - képesek-e felismerni és reagálni a fényre, a toxinokra és az anyagcseretermékekre. Ezen integrált rendszerek viselkedése összetettebb, mint a hagyományos számítási módszerekkel összehangolható, kiszélesítve az alkalmazások körét. Az önszerveződő molekulák fejlődő mintázatokat is generálhatnak a hagyományosan inert szerkezetekben, például dinamikus ólomüveg ablakokban.

Környezetre érzékeny festékeket és bevonatokat építkezéshez a kémiai önszerelés elvei alapján fejlesztenek az Odense-i Dél-Dániai Egyetem Alapvető Élettechnológiai Központjában. A vízben lévő olajcseppekből készített „protocellák” - így nevezik életszerű tulajdonságaik miatt - lehetővé teszik az oldható vegyi anyagok cseréjét a cseppek és a környező oldat között. A kémiai információk időben, térben és koncentrációban bekövetkező változásaira reagálva a protocellák úgy szabályozzák belső kémiaikat, hogy „beszélgetnek” a környezetükkel.

Potenciális gyakorlati alkalmazásként a csoport protocellákat fejlesztett ki az oldat szén-dioxidjának megkötésére és szilárd karbonát alakúra történő átalakítására, hasonlóan a természetben előforduló mészkőhöz vagy héjhoz. Ilyen rétegek alkalmazhatók szénmegkötésben vagy szén-negatív architektúrákban. Eddigi kísérleteik azt mutatták, hogy karbonáttermelő anyag felhalmozódhat; Ezen szabálytalan héjak szilikátokkal történő stabilizálása érdekében további munka folyik. Protocellarendszereket is fejlesztenek a szigetelés és a környezeti kármentesítés céljából.

Lee Cronin vegyész csoportja az Egyesült Királyság Glasgow-i Egyetemén egy másik típusú mesterséges szervetlen kémiai sejtet vagy „kagylót” folytat, amelynek építészeti felhasználása lehetséges, beleértve a kémiai és biológiai érzékelést is a szén-dioxid és a szennyező anyagok kimutatására. A sejtek belső kémiai tulajdonságait finoman szabályozhatjuk az összetevők digitális szállítórendszerének felhasználásával, ezáltal hasznosak üzemanyagcellás technológiához vagy vegyi anyag-leadó rendszerként az érzékeny felületekhez.

Az elosztott, önszerelő rendszerek egy napon lehetővé tehetik az épületek növekedését, önjavítását és kreatív reagálást az éghajlatváltozás kiszámíthatatlan hatásaira. Például a Dél-Dániai Egyetem, a Glasgowi Egyetem, valamint a University College London és a Greenwichi Egyetem kutatócsoportjainak együttműködésével fejlesztenek élő burkolatokat. A gravitációs takarmány és a kémiai gradiensek hajtják ezeket, amelyek vizet termelhetnek a sivatagi környezetben, és betakaríthatják a napfényt bioüzemanyagok előállításához.

Velence nyomasztó környezeti problémái bizonyos szintetikus-biológiai megoldásoknak megfelelőek. Című installációnk Hylozoikus talaj, a 2010-es velencei biennálén, a kanadai pavilonban mutatták be, és Philip Beesley építésznővel készítették a kanadai Ontarióban, a Waterloo Egyetemen, és bemutatták a látogatók által kilélegzett szén-dioxid szilárd karbonátokká történő újrahasznosítását protocellás technológia segítségével. Hasonló lerakódások stabilizálhatják a város alapjait, ha mesterséges mészkő zátonyot növesztenek alatta.

A szintetikus biológia alkalmazása az építészetben ígéretet tesz a főbb környezeti problémák megoldására. A rendelkezésre álló eszközök, módszerek és anyagok bővítéséhez további együttműködésre van szükség biológusok, vegyészek, építészek és az ipar között. Mint minden új technológia esetében, a nyilvánossággal és a döntéshozókkal való kapcsolattartás is létfontosságú a jövőbeli szabályozás irányításához, amely védi a közbiztonságot és kezeli a vélt kockázatokat.

Szerzői információk

Hovatartozások

Rachel Armstrong a londoni University College (Egyesült Királyság) Bartlett Építésziskolájának kutatója. [email protected]

Neil Spiller a Greenwichi Egyetem Építészeti és Építőipari Karának vezetője, London, Egyesült Királyság.

A PubMed Google Scholar alkalmazásban is kereshet erre a szerzőre